TW202044700A - 具有均勻射束之準分子雷射 - Google Patents

Abstract

經由在線性準分子雷射的兩端各設置多個共振器鏡，使準分子雷射射束橫向分佈的精細結構最小化。在一端，一高反射性的端鏡與一部分反射性的端鏡以小角度對彼此傾斜。在另一端，兩個輸出耦合鏡以小角度對彼此傾斜。這種共振器鏡的排列產生了一種複合雷射射束，使任何精細結構變得模糊。

Description

具有均勻射束之準分子雷射

本申請案主張優先於2019年3月20日提交的美國臨時申請案第62/721,239號之優先權，其揭露內容整體併入於本文。

本發明係有關於氣體放電雷射。本發明特別是有關用於準分子氣體放電雷射的共振器鏡配置。

準分子雷射在電磁光譜的紫外區產生高功率的雷射輻射。增益介質為一種流動的加壓氣體混合物，通常包含惰性氣體、鹵化物氣體及緩衝氣體。氣體混合物經由兩個細長電極之間的短電流脈衝而被供能，從而在氣體放電中產生激發的弱鍵二聚體。例如，氣體混合物可以包括氙（Xe）及氯化氫（HCl）氣體，加上氦（He）或氖（Ne）作為中性緩衝氣體。當被供能時，產生一電子激發的XeCl二聚體，其具有308nm之雷射線。其他的例子為具有193nm雷射線的氬氟化合物（ArF）二聚體以及具有351nm雷射線的氙氟化合物（XeF）二聚體。

通常，氣體混合物可能會以高達幾千赫茲的重複頻率被供能，氣體放電可以持續幾奈秒至幾百奈秒，輸出雷射脈衝的持續時間從幾奈秒到幾十奈秒，平均輸出的雷射功率可達數百瓦。此技術中最強大的工業準分子雷射是基於XeCl的，以高達600赫茲的脈衝重複頻率產生高達1焦耳的脈衝能量。例如，來自加利福尼亞州聖塔克拉拉Coherent公司的Lambda SX準分子雷射。這種準分子雷射可以連續工作超過一億個脈衝，同時保持極高的脈衝能量穩定性及穩定的射束參數。在需要更大脈衝能量的應用中，兩個或兩個以上的準分子雷射的輸出可以經由射束混合光學和脈衝傳輸的同步來結合。這種射束混合和同步分別描述於與本發明共同讓與之美國專利第7,408,714號及第8,238,400號，其等之完整揭露均以引用方式併入到本文中。

一個重要的應用為矽的雷射再結晶，這是一種用於製造消費性電子設備螢幕及大尺寸顯示屏的平板的方法。矽是一種半導體基材，經由微影製程在其上形成螢幕中的電子電路。在再結晶過程中，在玻璃基板上的薄層非晶矽被雷射輻射之脈衝射束反復熔化，直到得到理想的晶體微結構。將基板及其上的矽層相對於雷射輻射源和提供雷射輻射的光學元件進行掃描。入射在矽層上的雷射射束被塑造成細長的「線束」，其具有沿著與掃描方向垂直的方向之均勻的強度分佈。準分子雷射在這個過程中是一個受歡迎的來源，被稱為「準分子雷射退火」。這是一個精細的過程。關鍵是要保持一個具有最佳的能量密度的穩定和均勻的強度分佈。

將準分子雷射射束形成線束的方法和設備在美國專利7,428,039號及第7,615,722號中有描述，該等美國專利係讓與給本發明的受讓人且其全部揭露內容係以引用方式併入本文。這些方法包括射束均質化，藉此來自於一或多個來源的雷射射束在空間被分割，分割的射束投射到矽層上並覆蓋在矽層上。例如，10個到30個投射和覆蓋的線束之間，每個線束在短軸上的長度約為0.4毫米，在長軸上的長度為750毫米到1500毫米之間。射束均質化需要昂貴而複雜的光學安排，包括可以容納來自於準分子雷射的大射束的透鏡陣列。例如，一束橫向尺寸為15毫米×35毫米的射束。

進一步的平均是經由將矽層上的每個位置曝露在多個雷射脈衝中來達成的。例如，10到20個連續的雷射脈衝。儘管如此，經由減少晶體微觀結構的差異，經由形成更穩定、更均勻的線束，使用這種方法製造的螢幕的性能仍然可以得到改善。準分子雷射射束橫向空間分佈的精細結構是造成不穩定和不均勻的原因之一，由氣體排放的不穩定、氣體流動的擾亂及氣體密封窗的污染所引起。這種精細的結構是不穩定的，在不同的脈衝之間變化很大。準分子雷射輸出射束中任一位置的能量密度的標準差可以大於10%，甚至大於20%，而整個射束的總能量的標準差小於0.3%。精細結構比粗糙結構更難均質化，特別是當精細結構比透鏡陣列中的單個透鏡元件更小時。

需要一種能產生一種具有最小精細結構的雷射射束的準分子雷射。具體地說，產生一種在精細結構中具有最小亮度對比度的雷射射束。較佳地，這種亮度對比度的降低將在不犧牲效率、脈衝能量、平均功率或任何其他關鍵射束參數的情況下實現。準分子雷射的其他應用也將受惠於降低精細結構的亮度對比度，如縮微蝕刻技術和雷射剝離技術。

在本發明的一個面向，一種產生雷射射束的準分子雷射包含含有被供能氣體混合物的一雷射腔室、在雷射射束的一波長處具有高反射性的一第一後鏡，以及在雷射射束的該波長處具有部分反射性的一第二後鏡。第一後鏡及第二後鏡係位在雷射腔室的一端。第二後鏡係位在第一後鏡與雷射腔室之間。第一後鏡及第二後鏡以一第一角度相互傾斜。提供了第一輸出耦合鏡及第二輸出耦合鏡。第一及第二輸出耦合鏡位於雷射腔室的相對端。第一及第二輸出耦合鏡以第二角度相互傾斜。

現在參考圖示，其中相似的元件用相似的數字表示，圖1A為一側視圖，繪示出先前技術之準分子雷射10，其包括一雷射腔室12、二窗14、一高反射鏡16及一輸出耦合鏡18。雷射腔室12包含一種流動中且被加壓的氣體混合物。氣體混合物經由在兩個細長電極之間流動的短脈衝電流來獲得能量，從而產生包括被激發的二聚體分子在內的脈衝氣體放電。為了說明清楚，圖中省略了細長電極、注入脈衝電流的電源、儲氣罐、給混合氣體加壓的幫浦及使混合氣體流動的鼓風機。高反射鏡16及輸出耦合鏡18形成了關於氣體放電的線性雷射共振器，產生沿光軸22傳播的脈衝雷射射束20。

窗14對雷射射束20之一波長具有一高穿透率。在圖示中，窗是以雷射射束20呈正交入射角描繪的。在這種配置中，窗將被塗上一層對雷射射束的該波長防反射的塗層。在另一種配置中，未塗覆的窗將朝著布魯斯特角(Brewster’s angle)定向。高反射鏡16的反射率約為100%。輸出耦合鏡18的反射率通常在4%到 10%之間，最典型的是在5%到8%之間。兩個鏡通常都有平面表面。雷射射束20以邊界射線繪示，實線表示腔室內之雷射射束，虛線表示輸出之雷射射束。

圖2A為一放大圖，顯示準分子雷射10在雷射共振器兩端的進一步細節。高反射鏡16及輸出耦合鏡18都是定向在相對於雷射射束20的入射角度成大約正交的方向。由於氣體放電的高增益，需要較高的輸出耦合器穿透率，因此入射在輸出耦合鏡上的腔室內射束有很大一部分成為輸出射束。輸出射束在遠場Φ有全角射束發散，通常在1毫弧度（mrad）數量級內，長維度比短維度略大。短維度的射束發散更典型地在0.8 mrad到1.5 mrad之間。

圖3A為一近場相機影像，顯示來自圖1A及2A所示類型的先前技術準分子雷射的雷射射束的橫向空間分佈。雷射射束的尺寸大約是15mm × 35mm，在這裡是水平 × 垂直。雷射射束的長垂直尺寸是決定於電極之間的實體分離。流過混合氣體的電流是垂直的。雷射射束的短水平尺寸是由電極的寬度和構形決定的。

精細結構係受垂直的「流光」(“streamer”)所支配，有些流光延伸了射束的全部高度，隨著射束在氣體放電中被放大，這些「流光」在空間分佈上留下記錄。在不同脈衝間變化的增益中的空間調變，是由於上面所討論的氣體放電的不穩定性和氣體流動的擾亂引起的。不於脈衝間變化的精細結構的靜態元件，是由於窗污染和強烈的紫外線雷射輻射對窗所造成的損害而造成空間調變損失。在雷射操作過程中，污染和損傷會累積，使性能下降，直到更換窗。窗之更換是一個長時間間隔的維護過程。

圖1B為一側視圖，顯示根據本發明的準分子雷射30的一個較佳實施例。準分子雷射30在雷射腔室的兩端各有兩面鏡子。在一端，有第一後鏡32及第二後鏡34，第二後鏡34位於第一後鏡32和雷射腔室12之間。第一後鏡32與高反射鏡16相似，在雷射射束20的波長處具有約100%的高反射率。第二後鏡34具有部分反射性，反射率在20%到 80%之間的範圍，最佳在35%到65%之間的範圍。在相反端，有一第一輸出耦合鏡36及一第二輸出耦合鏡38。與準分子雷射10中的輸出耦合鏡18類似，第一輸出耦合鏡36及第二輸出耦合鏡38都有相對低的反射率，因此腔室內入射到兩個輸出耦合鏡上腔室內的射束有很大一部分都成為了輸出射束。例如，每面鏡子的反射率小於5%。

圖2B為一放大圖，顯示準分子雷射30在雷射共振器兩端的進一步細節。第一後鏡32及第二後鏡34都是傾斜的。第一後鏡32的法線與光軸22以θ₁ 角度相交，而第二後鏡34的法線與光軸22以θ₂ 角度相交 。第一輸出耦合鏡36及第二輸出耦合鏡38也是傾斜的。第一輸出耦合鏡36的法線與光軸22以θ₃ 角度相交，而第二輸出耦合鏡38的法線與光軸22以θ₄ 角度相交。

如圖所示，第一後鏡32與第一輸出耦合鏡36大約平行（θ₁ ≈ θ₃ ）且第二後鏡34與第二輸出耦合鏡38大約平行（θ₂ ≈ θ₄ ），雖然這並不是本發明的準分子雷射器發揮作用的必要條件。第一後鏡及第二後鏡被繪示為分離的光學元件，每個光學元件都具有平行的平面表面，其中一個表面為鏡面。另一種方便的配置是讓這些後鏡成為一個楔形光學元件的相對表面。類似地，第一輸出耦合鏡及第二輸出耦合鏡可以是另一楔形光學元件的相對表面。

鏡面傾斜的效果如圖1B所示。由於腔室內射束被部分反射的第二後鏡34以及微弱反射的輸出耦合鏡36、38所分隔，雷射射束20基本上成為了一個複合射束。這種分隔產生了一個複合的輸出射束，由圖中不同的虛線邊界射線表示。元件輸出射束不一定具有相同的功率，儘管在某些實施例中主元件可能具有大約相同的功率。為了說明的目的，各元件輸出射束的相對彼此的傳播角係誇大顯示。在準分子雷射30中，光軸22可以被定義為沿複合輸出射束連續位置上的射束中心之連線，由其橫向空間分佈的一階矩決定。

回到圖2B，鏡32至38之傾角θ₁ 至θ₄ 亦有所誇大。發明人發現，在沒有共振器鏡傾斜的同等的準分子雷射，例如準分子雷射10，全角發散度Φ的5%與20%之間的傾角範圍可以顯著降低精細結構的亮度對比。舉例而言，對於一個全角射束發散度為1 mrad且共振器鏡為垂直入射的準分子雷射而言，將鏡32至38相對於垂直入射線傾斜介於0.05 mrad及0.2 mrad之間的角度θ₁ 至θ₄ 會導致精細結構的明顯模糊。對此例示之準分子雷射而言，為達到精細結構之有用的模糊，第一後鏡32相對於第二後鏡34傾斜至少0.05 mrad，而第一輸出耦合鏡36相對於第二輸出耦合鏡38傾斜至少0.05 mrad。

在選擇傾角時，需要在增強元件射束之混合以使精細結構模糊與增加複合輸出射束的全角發散度Φ’之間進行妥協，這可能是不樂見的。選擇相對於全角發散度Φ為小的傾角意味著每個傾斜於光軸22的方向並不是很關鍵。某些方向被認為有利於精細結構的模糊；最可能的原因是，精細結構被圖3A中所顯示的垂直流光所另外控制。類似地，相較於個別傾角θ₁ 至θ₄ ，相對傾角θ₁ +θ₂ 及θ₃ +θ₄ 對於模糊精細結構更加關鍵。然而，經由選擇θ₁ ≈ θ₂ 和θ₃ ≈ θ₄ 而相對於光軸對稱地傾斜是有助於最小化整體全角發散度Φ’。

圖3B為圖1B及圖2B所示的類型的本發明的準分子雷射所發出的雷射射束橫向空間分佈的近場相機影像。後鏡32及後鏡34是沉積在透明楔形基材的相對側面的塗層。輸出耦合鏡36及38也是沉積在同樣的基材的相對側面的塗層。楔形基材的厚度約為5公釐。楔角約為0.12 mrad。這兩個楔以大約90°相對於彼此定向，並以大約45°相對於水平和垂直軸定向。這些方向是根據經驗決定的，以優化整體雷射性能，包括脈衝能量、脈衝能量穩定性、射束發散及射束對稱性。如圖3B所示，每個楔的薄邊最接近底部角。第二後鏡34的反射係數約為50%，輸出耦合鏡36及38的反射係數則各為2.75%。

圖3B的複合輸出射束具有一大約1.3 mrad的發散角Φ’，相較於圖3A之由同等的先前技術之準分子雷射產生的射束具有一大約1.0 mrad的發散角Φ。與圖3A的精細結構相比，圖3B的複合輸出射束的精細結構實質上是模糊的。圖3A中明顯的垂直流光在圖3B中幾乎看不見。圖3B中本發明的準分子雷射的效率約為圖3A中先前技術準分子雷射的效率的99%。此相當小的1%的效率降低相當於更換窗所造成的效率變化。

圖4A為一圖表，說明了來自於圖3A之先前技術準分子雷射的1000張相機影像測量出的相對能量偏差之於脈衝數的關係。每個相機影像捕捉（拍攝）一個雷射脈衝。能量偏差是指每張影像最接近形心的像素的能量偏差。標準差為6.46%。圖4B為一圖表，說明了來自於圖3B中的本發明的準分子雷射的1000張相機影像測量出的相對能量偏差之於脈衝數的關係。標準差為4.42%。由圖3B及圖4B可見，本發明的準分子雷射的輸出射束比同等的先前技術準分子雷射的輸出射束更加均勻且穩定。

本發明的準分子雷射的一個優點是，可以使用一個較弱但也因此較便宜的射束均質器來達到與先前技術之準分子雷射相同的加工品質。另一個優點是，氣體變換和窗的更換的時間間隔可以延長，因為輸出射束中的不穩定性和不均勻性需要更長的時間才會達到一個製程的最大容忍限度。延長這些維護程序之間的平均或預定時間間隔可以降低雷射停機時間和持有成本。

雖然以上所述本發明的一個實施例具有兩個後鏡和兩個輸出耦合鏡，其可以包括額外的部分反射性的後鏡和/或額外的輸出耦合鏡以進一步減輕精細結構，而不背離本發明的精神和範圍。在本發明的另一個實施例中，準分子雷射具有一高反射性的後鏡和多個輸出耦合鏡。在本發明的又另一個實例中，準分子雷射器具有一高反射性後鏡、多個部分反射性後鏡及一輸出耦合鏡。

雖然以上所述的共振器鏡有平的表面，但準分子雷射的鏡面有時有輕微的彎曲。如本領域的技術人員所認知，本發明的原理可以應用於有輕微彎曲的共振器鏡。

以上乃就本發明之一較佳實施例和其他實施例進行了描述。然而，本發明不限於在此描述及說明的實施例。相反地，本發明僅受限於後附之申請專利範圍。

10:準分子雷射 12:雷射腔室 14:窗 16:高反射鏡 18:輸出耦合鏡 20:雷射射束 22:光軸 30:準分子雷射 32:鏡、後鏡、第一後鏡 34:後鏡、第二後鏡 36:輸出耦合鏡、第一輸出耦合鏡 38:鏡、輸出耦合鏡、第二輸出耦合鏡 θ₁:角度 θ₂:角度 θ₃:角度 θ₄:角度 Φ:發散度 Φ’:發散度

所附之圖式被納入並構成本說明書的一部分，以圖示說明本發明的較佳實施例，並與上述提供的一般描述和下述提供的較佳實例的詳細描述一起用來本發明的原理。

圖1A為先前技術之產生脈衝雷射射束之準分子雷射的一側視圖，其包括一雷射腔室、兩個窗、一高反射鏡及一輸出耦合鏡。

圖1B為根據本發明之產生複合脈衝雷射射束的準分子雷射的一較佳實施例的側視圖，其包含兩個後鏡及兩個輸出耦合鏡，兩個後鏡相互傾斜，兩個輸出耦合鏡相互傾斜。

圖2A為一放大的側視圖，說明了圖1A中先前技術之準分子雷射器的進一步細節。

圖2B為一放大的側視圖，說明了圖1B中的準分子雷射的進一步細節。

圖3A為一近場相機影像，顯示來自圖1A和2A所示類型之先前技術的準分子雷射的脈衝雷射射束的橫向空間分佈。

圖3B為一近場相機影像，顯示來自圖1B及圖2B所示類型的準分子雷射的複合脈衝雷射射束的橫向空間分佈。

圖4A為一示意圖，顯示來自圖3A之先前技術的準分子雷射之脈衝雷射射束的中心處之相對能量偏差與脈衝數的關係。

圖4B為一示意圖，顯示來自圖3B之準分子雷射之複合脈衝雷射射束的中心處之相對能量偏差與脈衝數的關係。

12:雷射腔室

20:雷射射束

22:光軸

30:準分子雷射

32:鏡、後鏡、第一後鏡

34:後鏡、第二後鏡

36:輸出耦合鏡、第一輸出耦合鏡

38:鏡、輸出耦合鏡、第二輸出耦合鏡

Claims (20)

1. 一種產生雷射射束的準分子雷射，包括： 一雷射腔室，其包含一被供能之氣體混合物； 一第一後鏡，其在該雷射射束的一波長處具有高反射率； 一第二後鏡，其係在該雷射射束的該波長處為部分反射性，該第一後鏡及該第二後鏡位於該雷射腔室的一端，該第二後鏡位於該第一後鏡與該雷射腔室之間，該第一後鏡與該第二後鏡以一第一角度相對於彼此傾斜； 一第一輸出耦合鏡；以及 一第二輸出耦合鏡，該第一輸出耦合鏡及該第二輸出耦合鏡在該雷射射束的該波長處為部分反射性，該第一輸出耦合鏡及該第二輸出耦合鏡位於雷射腔室的一相反端，該第一輸出耦合鏡與該第二輸出耦合鏡以一第二角度相對於彼此傾斜。
2. 如請求項1所述的一種準分子雷射，其中該第一後鏡及該第二後鏡都相對於該雷射射束的一光軸傾斜。
3. 如請求項1所述的一種準分子雷射，其中該第一輸出耦合鏡及該第二輸出耦合鏡都相對於該雷射射束的一光軸傾斜。
4. 如請求項1所述的一種準分子雷射，其中該第一角度等於該第二角度。
5. 如請求項1所述的一種準分子雷射，其中該第一後鏡及該第二後鏡位於一透明楔形基材的相對表面上。
6. 如請求項1所述的一種準分子雷射，其中該第一輸出耦合鏡及該第二輸出耦合鏡位於一透明楔形基材的相對表面上。
7. 如請求項1所述的一種準分子雷射，其中該第一角度及該第二角度皆大於0.05毫弧度。
8. 如請求項1所述的一種準分子雷射，其中該第二後鏡在該雷射射束的該波長處具有介在20%至80%之間之範圍的一反射率。
9. 如請求項8所述的一種準分子雷射，其中該第二後鏡在該雷射射束的該波長處具有介在35%至65%之間之範圍的一反射率。
10. 如請求項1所述的一種準分子雷射，其中該第一輸出耦合鏡及該第二輸出耦合鏡之中的每一個在雷射射束的波長處有小於5%的反射率。
11. 如請求項1所述的一種準分子雷射，其中該第一輸出耦合鏡及該第二輸出耦合鏡在雷射射束的波長處有相同的反射率。
12. 如請求項1所述的一種準分子雷射，其中，相較於一種其所有的共振腔反射鏡皆被雷射射束垂直入射的同等的準分子雷射，該第一角度是在該同等的準分子雷射的雷射射束的全角發散率的5%至20%的範圍內。
13. 如請求項1所述的一種準分子雷射，其中，相較於一種其所有的共振腔反射鏡皆被雷射射束垂直入射的同等的準分子雷射，該第二角度是在該同等的準分子雷射的雷射射束的全角發散率的5%至20%的範圍內。
14. 一種產生雷射射束的準分子雷射，包括： 一雷射腔室，其包含一被供能之氣體混合物； 一後鏡，位於該雷射腔室的一端，在雷射射束的一波長處有一高反射率； 一第一輸出耦合鏡；以及 一第二輸出耦合鏡，該第一輸出耦合鏡及該第二輸出耦合鏡在雷射射束的該波長處為部分反射性，該第一輸出耦合鏡及該第二輸出耦合鏡係位在該雷射腔室的一相對端，該第一輸出耦合鏡與該第二輸出耦合鏡以一相對傾角相對於彼此傾斜，該第一及第二輸出耦合鏡皆相對於該後鏡傾斜。
15. 如請求項14所述的一種準分子雷射，其中該第一輸出耦合鏡及該第二輸出耦合鏡都相對於該雷射射束的一光軸傾斜。
16. 如請求項14所述的一種準分子雷射，其中該第一輸出耦合鏡及該第二輸出耦合鏡係位於一透明楔形基材的相對表面上。
17. 如請求項14所述的一種準分子雷射，其中該相對傾角大於0.05毫弧度。
18. 一種產生雷射射束的準分子雷射，包括： 一雷射腔室，其包含一被供能之氣體混合物； 一第一後鏡，其在該雷射射束的一波長處有高反射率； 一第二後鏡，其在該雷射射束的該波長處為部分反射性，該第一後鏡及該第二後鏡位於該雷射腔室的一端，該第二後鏡位於該第一後鏡與該雷射腔室之間，該第一後鏡與該第二後鏡以一相對傾角相對於彼此傾斜；以及 一輸出耦合鏡，其在該雷射射束的該波長處為部分反射性，該輸出耦合鏡位於該雷射腔室的一相對端，該輸出耦合鏡相對於該第一後鏡及該第二後鏡傾斜。
19. 如請求項18所述的一種準分子雷射，其中該第一後鏡及該第二後鏡位於一透明楔形基材的相對表面上。
20. 如請求項18所述的一種準分子雷射，其中該相對傾角大於0.05毫弧度。

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